结构材料中杂质复合缺陷的分子动力学和第一原理研究

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1、摘要日前材料科学基础理论的研究，特别是计算材料学和材料设计，正在日益为改善材料性能和设计新材料提供强有力地指导，计算材料科学是当前材料科学中最为活跃的前沿领域之一。材料性质不但依赖于材料的化学组分，而且在很大程度上还取决于材料的微观结构。揭示或判明材料的微观结构特别是晶体缺陷与宏观物性之问的联系一直是计算材料学的一个重要主题。本文通过分子动力学和第一性原理方法对材料中普遍存在而又非常重要的位错、点缺陷、掺杂原子以及自扩散过程进行了研究，获得了一系列有意义的结果。主要有：一、在bcc铁中，通过不同类型刃型位错的Peierls能计算，选择了1／2[111](110)位错为研究对象，

2、通过分子动力学模拟，研究了该位错在温度场和应力场下的动力学特征。结果表明：刃型位错主要是通过扭折对的成核来实现运动的，预先存在的扭折没有影响到州型位错的运动方式和运动速度。基于模拟中的原了空间组态，计算得到扭折对形成能的平均值(0．08eV)远小于扭折对迁移能的平均值(1．9eV)。模拟得至1]Peierls应力的大小为23^IPa左右，当位错刚启动之后，可以近似认为是处于稳定运动状态，并且在Peierls应力值附近，位错速度与应力的关系近似满足一个平方根(3／2)关系。当高于Peierls应力时，存在着低和高两个应力区域，在低应力区域内，位错运动速度随应力的增加呈线性急剧增加

3、，在高应力区域内，位错速度的变化随应力的增加逐渐变得平缓，逐渐趋近于声速。并且，低应力区域和高应力区域的过渡值为200MPa。另外，声子拖曳系数不但受温度的影响，而且还受所施加应力的影响，在高应力区域的声子拖曳系数远大于在低应力区域的声子拖曳系数，在高应力区域中的声子拖曳系数曲线比其在低应力区域中的平缓，并且随着温度的增加声子拖曳系数逐渐趋近于一个恒定值3．7×lff4Pa．s．温度越高声子拖曳系数越大，即对于一个给定的应力，温度的升高可以导致位错运动速度的下降。二、基于对各种厩子间相互作用势函数的评估，选择了Johnson提出的分析型合金势和一个考虑了原子间长程作用的Cai—

4、Ye势，通过拟合纯金属元素Ni、^l和Re的基本物理性质，包括：平衡晶格常数、结合能、弹性模量以及空位形成能。建立了一个Ni-A1一Re三元体系的分析型EAM势。采用该分析型EAM势计算了纯金属Ni、A1和Re以及金属间化合物NiAl和NiAl的基本物理性质。所得的结果与实验结果以及其他势函数得出的结果符合很好。三、基于本文所构建的Ni-A1一Ile三元体系EAM势对NiAl和Ni：IAl中的空位形成能、反位置缺陷形成能、迁移能以及激活能进行了计算，并研究了NiAl和Ni讲l中点缺陷的存在方式以及自扩散行为。我们所构建的多体势可以很好地反映NiAl和Ni3Al中的点缺陷及其原予

5、自扩散行为：在B2一NiAI中，合金在富Ni时，结构～缺陷为Ni反位置缺陷；合金在富A1时，结构缺陷为Ni空位缺陷。并且，Ni原予和Al原子在次近邻扩散过程能量的变化是关于扩散路径的中点对称的，鞍点就分别位于各自扩散路径的中点。而对于比较复杂的扩散行为则没有这种对称性。在L12．Ni3Al中，合金在富Ni时，结构缺陷为Ni反位置缺陷；合金在富A1时，结构缺陷为A1反位置缺陷。并且，Ni原子最近邻和Al原子次近邻扩散过程中能量的变化是关于扩散路径的中点对称，鞍点就分别位于各自扩散路径的中点。四，研究了不同尺度上Re在Ni3Al中的择优占位以及其集团化的行为。基于本文所构建的Ni-

6、M—Re三元体系E／IM势函数对Re在Ni3A1中的择优占位能、格位能、晶格畸变以及成团能进行了计算。计算结果表明：我们所构建的多体势可以很好地反映Re在Ni3A1中的择优占位及其集团化行为，Re在Ni3A1中优先置换A1的位置，且在发现当Re原予团的尺寸接近于11A时，Re原子团的长大趋势变弱。并且基于密度泛函的第一原理Dmol方法和DVM研究了Re在NiAl中的掺杂效应。基于我们的分子动力学模拟模型实行了第一原理计算。结果表明：在NiAl中，Re择优占据Al晶位，且Re导致局域畸变．差分电荷密度、键序以及态密度分析表明Re导致其近邻原子间作用加强：Pauli谱分析发现Re具

7、有共振态和局域态性质，且与其近邻原子形成杂化健。关键词：分子动力学，第一原理，嵌入原子法，位错动力学，自扩散，掺杂AbstractMaterialsarethefoundationoftheindustry．Highperformancesofnewmaterialsarebroughtforwardtoadvancedhighlyengineeringandtechnologyindustry．Thecomputersimulationisthemosteffectivemethodtop